引爆极速体验 USB 3.1性能对比实测

在存储设备中，SATA 6Gb/s、PCI-E、M.2接口可以说一直是高速存储设备的代表，而USB接口给人的印象则像“大叔大妈”一样一做事稳定可靠，但请忍受它那缓慢的执行速度。后来USB 3.0技术的出现虽然提升了USB存储设备的传输速度，但在终性能上，它仍难以与SATA接口匹敌。USB技术似乎理应就该排在存储接口的后一个位置？为此USB标准制订组织USB-IF一直在为提升USB接口的性能水准而努力，并终推出了带宽高达10Gb/s的USB 3.1技术标准。

引爆极速体验 USB 3.1性能对比实测

从数据上来看，USB 3.1的接口带宽不仅远超USB 3.0标准的5Gb/s，也大幅超过了SATA 6Gb/s设备的接口带宽，那么在实际使用中，USB 3.1技术是否能为用户带来有效的改善？更大的接口带宽是否也意味着它以后可以取代SATA，成为PC电脑内新一代的存储设备呢？接下来就请大家通过《微型计算机》抢先拿到的USB 3.1存储设备样品，来感受一下USB 3.1技术的真正实力。

USB 3.1技术标准解析

传输速度翻番

接下来我们将首先为大家详细介绍一下USB 3.1技术，但在这之前，有必要先了解一下它的母体：USB 3.0。我们知道，尽管USB 3.0和USB 2.0的接口形状看起来一样，但它比USB 2.0多了几个触点。USB 3.0支持全双工，采用发送列表区段来进行数据发包。USB 3.0的供电标准为900mA，设计传输速度为5Gb/s。而USB 3.1的传输速度则达到了10Gb/s，远高于USB 3.0。因此尽管USB 3.1的线缆规格与3.0相同，但其LOGO上显示它被命名为“SuperSpeed+”。那么USB 3.1技术是如何实现10Gb/s带宽的呢？其实原理非常简单，我们知道，主板上的USB 3.0主控芯片或支持USB 3.0技术的主板芯片组是通过占用一条PCI-E 2.0 x1通道来为USB设备提供带宽，而USB 3.1主控芯片则通过占用PCI-E 2.0 x2通道或一条PCI-E 3.0 x1通道来提供10Gb/s的带宽。因此它的速度就比USB 3.0高一倍？

且慢，优势可不只有这么一点。10Gb/s是理论速度，不要以为USB 3.1就能够每秒传输10Gb即1.25GB的数据。我们知道USB 3.0与PCI Express 2.0总线共用物理层，因此它们的速率自然也一样，都是5Gb/s。但是，为了信号的直流平衡，USB 3.0的编码方式是8b/10b，也就是说理论上虽然传输了10bit数据，实际上只有8bit，即8成的有用数据，所以USB 3.0的理论速度为5×0.8=4Gb/s=500MB/s。

USB 3.1内含两个工作模块

USB 3.1与USB 3.0技术的Logo有明显区别

USB 3.1是怎么传输的呢？规范提到除了速度提升到10Gb/s外，编码方式也变更为128b/132b，有效数据的利用率更高。那么我们可以得到USB 3.1的理论带宽高为10×128÷132=9.697Gb/s=1.212GB/s，因此USB 3.1的理论速度是USB 3.0的2.4倍多。从表面上看这个速度指标非常惊人，复制一张蓝光原盘也就是半分钟的事情，但这需要存储设备自身也具备相当强悍的性能。

由于信号传输速度、编码解码方式的不同，实际上USB 3.1和3.0已经貌合神离，属于不同的接口了。但USB必须继承向下兼容的优良传统，因此USB 3.1里面塞入了两个模块，根据外部设备决定以Super Speed还是以Super Speed+的模式运行。而USB 3.1又需要与USB2.0/1.1兼容，因此USB 3.1实际上包含了EnhancedSuperSpeed逻辑层、Super Speed物理层、USB1.1/ 2.0逻辑层和物理层。

大100W的供电输出会烧毁手机吗？

USB 3.1接口供电输出提升到大100W，也就是意味着在未来打印机、笔记本电脑、显示器之类的设备基本上都可以告别电源了，直接由USB供电。不过这么大的输出功率似乎很容易出事，而且手机插上去还会担心烧掉。放心吧，工程师绝对不敢随便把这样一个大杀器扔给用户。在USB 3.1的技术规范中，提到了它将采用一种阶段提高电压与电流的运作方式：主控与Hub、设备通信期间，从Profile1（5V@2A）到Profile5（20V@5A）之间阶梯型提高。主控将采用一种识别机制，识别接入设备所需的电压和电流规格之后，再决定采用哪种Profile进行供电。

USB Power Delivery供电层级的设计可以保证USB 3.1接口按需供电

开始采用Type-C接口

接口方面，前段时间火的一个话题就是所谓正反都能插的Type-C接口，不少人也以为USB 3.1接口均采用的是这一设计，正反都能插的接口才是USB 3.1接口。事实上这是错误的认识，USB 3.1其实拥有多达四种接口，包括Type-A、Type-B、Micro-A/B以及Type-C。

Type-A也就是使用为广泛的USB A型接口，用于与电脑连接，而为了能让用户更好地区分USB 3.0与USB 3.1 A型接口，USB 3.1 A型接口的颜色改为Teal blue浅蓝色设计，其他结构方面它与USB 3.0 Type-A接口没有区别，金属触点数同为9个，没有正反都能插的功能；Type-B则是所谓方形USB接口，一般用于3.5英寸移动硬盘，以及打印机、显示器等设备的连接。而Micro-A/B接口的外形很像在传统手机上使用的Micro USB接口基础上额外增加了一个“小接口”，并使用特殊的结构连接起来。这样能够保证在较小的体积内安置更多的传输线路并维持更高的传输速度。该接口在USB 3.0时代就已出现，采用10个触点设计，专门用于连接2.5英寸USB移动硬盘、读卡器等设备。

从外观上来看与USB 3.0接口(左)相比，USB 3.1接口(右)大的不同是颜色由深蓝变为浅蓝色，并增加了接地弹片。

而Type-C主要面向更轻薄、更纤细的设备，即手机、平板这样的接口，该接口的一大特性就是没有方向性，只要正确插入即可，无论正反都OK。其所有的信号引脚都设计在了接口中央的“舌头”上，正反各12个，绝大部分对称排布。同时，Type-C接口支持USB 3.1规范，可以实现高达10Gb/s的传输速度。业内人士认为Type-C接口将在未来统一手机、平板的接口，取代使用不便、且还在采用USB 2.0标准的Micro USB接口。如您想更深入地了解Type-C接口，请阅读《微型计算机》在2015年4月上刊登的《全新USB Type-C接口解读》。

增强供电能力

除了以上改进外，USB 3.1还增强了供电能力。很多用户发现将手机插在PC的USB 3.0接口时，充电速度会大幅领先于插在USB 2.0时的状态。原因就是USB 3.0将供电参数从2.0时代的5V/0.5A提高到了5V/0.9A，而USB 3.1的供电能力，则达到了大20V/5A的标准，可以提供大100W的输出。USB 3.1标准可以提供5个档次的供电标准，分别为5V/2A（10W）、12V/1.5A（18W）、12V/3A（36W）、20V/3A（60W）、20V/5A（100W）等多种配置。但是，其中60W标准仅限Micro-A/B型USB接口，而100W则仅支持Type-A/B接口，Type-C接口高则可提供36W供电。

USB 3.1 Type-C接口的针脚定义图，可见能够向下兼容USB 2.0。

USB 3.1 Type-C接口(左)与雷电(中)、Micro USB接口(右)对比，更大、更厚实。

提升抗干扰能力

此外为改善USB 3.1的EMI和RFI（电磁干扰和射频干扰）性能，USB- IF还在USB 3.1的连接器上新增四片接地弹片（Grounding Figure），分布于PCB接点、连接器转角、公/母头介面、连接线终端。如此一来连接器内部的隔离程度得到增强，可降低EMI和RFI对数据传输品质的影响。USB-IF在实际测试后指出，增加接地弹片后的USB 3.1连接器较原方案减少至少10dB以上的EMI/RFI干扰。因此，制造商无需另外增加金属隔离元件，即可达到相同的数据传输表现，有效地降低了物料成本。

测试基板上具备RAID功能与SATA TO USB 3.1桥接能力的祥硕ASM1352R芯片

主板上使用的祥硕ASM1142 USB 3.1主控芯片

主板采用补齐所有针脚的X系列CPU超频插槽

通过一头为USB 3.1 Micro-A/B、一头为USB 3.1 Type-A的数据线连接PC。

由白金电容、DrMOS、60A电感组成的6相供电电路。

华擎X99E-ITX/ac主板产品资料

接口              LGA2011-V3
板型              Mini-ITX
内存插槽        DDR4×2（高32GB，DDR4 3200）
显卡插槽        PCI-E 3.0 x16×1
扩展插槽        Ultra M.2×1
音频芯片        瑞昱Realtek ALC1150
网络芯片        英特尔I218V千兆网络芯片×1 
                    AzureWave无线网卡(802.11ac+BT 4.0)
I/O接口         USB 2.0+USB 3.0+USB 3.1+PS/2+RJ45网络接口
                    +模拟7.1声道输出+光纤+eSATA

支持USB 3.1技术的小钢炮

要想体验到USB 3.1技术的威力，需要多款产品的联动配合。而在主板方面由于主板芯片组暂无产品可以原生支持USB 3.1技术，因此就像USB 3.0技术刚刚问世时一样，所有主板产品均通过整合第三方芯片来提供对USB 3.1技术的支持。因此目前众多主板产品均是通过集成祥硕ASM1142这一芯片来实现对USB 3.1技术的支持。该芯片符合XHCI（eXtensible Host Controller Interface）1.1版规范、支持UASP（USB Attach SCSI Protocol）传输模式。

在此次测试中，我们采用了来自华擎的X99E-ITX/ac主板作为测试平台，它也是目前市面上唯一一块采用ITX板型设计的X99主板，可以让用户在超小型机箱中也体验到Haswell-E多核心处理器、DDR4内存的威力，将它称之为“小钢炮”并不为过。该主板采用了补齐针脚，拥有2102个触点的X系列CPU超频插槽。其供电部分采用6相设计，由白金电容、可承载60A电流的高效电感，以及飞兆半导体的一体式DrMOS组成。功能方面，考虑到小型PC往往会承担一定的家庭媒体功能，进行影音播放或分享，因此华擎X99E-ITX/ac主板还配备了支持802.11ac协议、蓝牙4.0功能的AzureWave无线网卡，并继续延续了Ultra M.2接口。其带宽由CPU直接提供，高达PCI-E 3.0 x4(32Gb/s)，可以充分发挥出三星XP941、XP951等高端M.2 SSD的大性能。而相对以往华擎主板，其更大的亮点则在于通过整合ASM1142 USB 3.1主控芯片，为用户在主板I/O挡板处提供了两个USB 3.1接口。

USB 3.1存储设备一还处于工程版的样品

由于目前还没有支持USB 3.1技术的存储设备正式上市，因此此次我们特别采用了一套还处于工程版的测试样品来了解USB 3.1的性能。该样品由一块外置裸露的RAID阵列卡、两块SATA 2.5英寸浦科特M6Pro 256GB组成。其原理也非常简单，与我们以往见过的一些PCI-E SSD非常相似一为了充分利用USB 3.1的高带宽，这套存储设备将利用RAID阵列卡上的祥硕ASM1352R芯片将两块SSD组成RAID 0磁盘阵列，并通过ASM1352R芯片的SATA TO USB 3.1桥接功能实现存储设备与USB 3.1接口的通讯。

测试平台主要信息一览

处理器            英特尔Core i7 5960X
主板               华擎X99E-ITX/ac
显卡               AMD Radeon R9 280
内存               金士顿DDR4 2666 8GB×2
硬盘               三星840 PRO 256GB
                     浦科特M6 PRO 256GB
操作系统         Windows 8.1 64bit旗舰版
电源               海盗船RM1000 电源

目前Windows 8.1操作系统可直接识别测试中所用的USB 3.1设备，不过其原生驱动仅能将其识别为USB 3.0产品，且大传输速度无法突破600MB/s。

要想获得佳的性能，则需要安装祥硕专门为ASM 1142主控开发的新驱动，驱动安装后会出现XHCI 1.1控制器的字样，意味着USB 3.1技术特性可以得到全面发挥。

我们如何测试

既然在技术上拥有这么多优势，那么采用USB 3.1技术的这套存储设备到底表现怎样，接下来我们将对它进行详细的性能测试，同时为了让读者更直观地了解存储设备的性能，我们还将把存储设备连接在USB 3.0接口上与其进行对比测试。此外由于USB 3.1设备的接口带宽大幅超过SATA 6Gb/s设备带宽，为了验证USB 3.1是否具备取代SATA存储设备的可能性，我们还采用三星840 PRO 256GB这款拥有较高性能的SATA产品与其进行了对比。测试软件方面，我们将首先使用AS SSD、Anvil’s Storage Utility等软件测试它们的基准性能，再通过PCMark 8存储测试模块、游戏启动、文件复制、病毒扫描，以及压缩文件与解压缩等应用，测试USB 3.1存储设备在实际使用中与USB 3.0设备有何不同。

基准性能测试

首先我们采用AS SSD、Anvil’s Storage Utility两款常用的硬盘基准性能测试软件，对USB 3.1存储设备进行了测试。这两款基准测试软件不仅将测试存储设备的连续读写性能，还会重点测试它的随机读写性能，以及在执行高队列深度随机读写测试上的性能。

测试点评：从表1、表2两款基准测试软件的结果来看，USB 3.1 10Gb/s的主要技术改进被充分地发挥了出来，其大连续读取速度轻松突破730MB/s，连续写入速度也在650MB/s左右，这两个指标已经和使用PCI-E 2.0 x2接口的M.2 SSD相差无几。反观该设备在连接USB 3.0接口时，其大连续传输速度则只能保持在430MB/s左右，始终无法突破其500MB/s的瓶颈。同时，三星840 PRO 256GB固态硬盘也受大接口速度600MB/s的限制，连续传输速度只能达到510MB/s左右，与USB 3.1存储设备有明显的差距。

USB 3.1技术的高带宽优势，让外置存储设备的大连续传输速度可以轻松突破700MB/s。

此外，尽管USB 3.1技术规范里并没有着重强调随机读写性能的改善，但从本次测试来看，USB 3.1的随机4KB读写性能相对于USB 3.0接口也有一定提升，其随机4KB写入IOPS较连接USB 3.0接口时提升了53%、随机4KB读取IOPS性能也有约12%的增长。同时USB接口以往让人诟病的多队列深度性能也有一定改善，从Anvil’s Storage Utility性能测试中可以看到，USB 3.1的随机4KB QD4读写性能较其单线程随机4KB读写性能有明显增加，写入IOPS从8100.83提升到10815.63，读取IOPS则从5015.12增加到5897.63。而在连接USB 3.0接口后，这两项性能指标则无明显变化。不过面对高队列深度的读写测试，USB 3.1还是力不从心，毕竟UASP不是AHCI、NVMe那样的技术协议，无法提升存储设备在高队列深度下的读写性能。因此不论是在随机4KB QD 16读写测试，还是在AS SSD的随机4KB QD 64测试中，其性能与它在QD4环境下的测试成绩都相差无几，性能没有获得增益。

而这也导致USB 3.1存储设备在终总评成绩上即便与单块的三星840 PRO SSD仍存在巨大的差异，毕竟其高队列深度的随机性能只有后者的6%～13%，拖了不小的后腿。单线程随机4KB性能的差距则要小一些，差不多达到后者性能的50%。不过考虑到对于普通消费者来说，很少会使用队列深度大于4的存储应用，那么在实际应用中，USB 3.1存储设备会有怎样的表现呢？

实际应用全面测试

文件读写测试

文件复制、拷贝是人们在使用USB闪存盘时常见的一类应用。在这个测试中，三类存储设备将分别向由8192MB内存组成的RAMDISK虚拟硬盘中读写8100.9MB影音文件、7588.4MB小文件，我们将记录它们的速度与传输时间(表3)。

测试点评：在这个应用测试中，USB 3.1存储设备的高带宽优势被全面发挥出来，在依赖连续读写性能的大文件读写测试中，它的传输速度就如基准测试一样，远超对比产品，大读取速度也达到了728.17MB/s，仅需11.13s就可完成8100MB影音文件的读取，只有其连接USB 3.0接口时所用时间的59%，SATA SSD的70%。同时它的大文件写入性能也达到了661.3MB/s，具备明显的领先优势。而在小文件应用上，我们发现USB 3.1的读取性能表现依然非常优异，490.56MB/s的传输速度位居第一，其15.47s的用时只有它连接USB 3.0接口时的65%。只是在写入性能上出现较大的衰减，USB 3.1存储设备被SATA SSD反超，但较其连接USB 3.0接口时，它的性能还是有26%的提升。

在实际影音传输中，仅需12s左右的时间，即可完成一部高清720P影片的写入。

综合来看，相对USB 3.0标准，USB 3.1的高带宽优势的确可以在实际应用中带来明显的改善，能够有效提升传输速度，缩短用户的等待时间。而与SATA固态硬盘三星840 PRO 256GB相比，它在单纯的文件传输应用中也具备较为明显的优势，只是在小文件写入性能上还有所不足。

软件应用测试

接下来，我们还通过游戏启动、软件安装、病毒扫描、压缩文件与解压缩等众多应用对三类存储设备进行了体验 (表4)。

测试点评：相对基准测试与文件读写测试，在游戏启动、PhotoShop CS6图片读写，以及病毒扫描应用中，三类设备的差距就比较小了，从测试结果来看，USB 3.1仍全面战胜了USB 3.0，不论是游戏启动时间还是图片的保存时间都略少于存储设备连接USB 3.0时的状态。同时在进行这些应用时，USB 3.1存储设备与SATA SSD的差距也很小，多用的时间往往不到1s，因此这也说明，如果USB 3.1产品内部采用高性能的存储介质，那么玩家是可以把它作为游戏盘(特别是那些绿色免安装的网络游戏)与素材保存盘的。

而在文件压缩、解压缩以及程序安装这样重度依赖存储设备读写性能的应用中，我们可以看到，测试存储设备在连接USB 3.1与USB 3.0时还是有比较大的差别，如《终幻想14》游戏的安装时间，使用USB 3.1接口后的用时比连接USB 3.0后少了11s，文件的压缩时间则比使用USB 3.0的状态少了9s。同时在这些应用中，SATA SSD也体现出了强大的优势，其游戏安装时间比USB 3.1存储设备少了足足34s，文件解压缩时间也比它少用了13s，其根本原因还是在于SATA技术标准可以为存储设备提供更好的随机小文件读写性能。因此，从目前的测试来看，USB 3.1并不具备取代SATA存储设备的实力。鉴于时间有限，为了验证三类存储设备在更多应用下的表现，接下来我们还特别运行了整合众多应用软件操作的PCMark 8存储测试。

PCMark 8存储模块测试

与AS SSD这样的基准测试软件不同，PCMark 8是一款整合众多消费级软件，通过模拟实际应用来进行测试的评测软件，因此对消费级存储系统的性能表现更具实际指导作用(表5)。
测试点评：结果与它们在实际应用测试中的表现非常相近，USB 3.1在所有的子项测试中战胜了USB 3.0，并在一些项目中具备较大的优势一如PhotoShop重载任务测试中，连接USB 3.1接口后，测试存储设备比使用USB 3.0接口时少用了近8s。而三星840 PRO 256GB这款SATA SSD则在全部测试中取得好的表现，不过其与USB 3.1存储设备的性能差异不大，后者多用的时间只有0.2s～3s，这再次说明，在一些程序应用中，USB 3.1存储设备已具备接近SATA SSD的表现。

具备实用价值 代表未来趋势的USB 3.1

不难看出USB 3.1技术相对于以往的USB 3.0在性能上的确具备明显的优势，它在所有测试中都战胜了USB 3.0，它的高带宽优势可以得到充分应用，带来高突破700MB/s的连续读写速度。而更值得一提的是，其随机小文件读写性能也得到了加强，能有效改善小文件的传输速度，并加快程序的启动、安装时间，让USB 3.1移动设备也能成为用户一个高速、可靠的“游戏盘”或“程序盘”。此外，USB 3.1还具备更强的供电能力，以及正反均能插的Type-C接口，因此不论对用户还是存储设备厂商来说，USB 3.1都是一个为之值得升级换代的技术。

而对以SATA为代表的PC内部存储技术来说，USB 3.1对它们而言暂时无太大的威胁，相对这些产品，USB 3.1存储设备只有它那较高的连续传输速度，在随机4KB读写性能，特别是高队列深度下的随机4KB读写性能上距SATA都还有较大的差距一可以看到即便是依靠两块SSD组成的USB 3.1 RAID 0阵列，也无法在这些测试中击败单块SATA固态硬盘，在绝大部分应用程序中，SATA SSD的启动速度、压缩速度也要更快。究其原因在于USB 3.1采用的UASP协议在小文件读写性能上无法同AHCI匹敌，更不要说即将大规模投入使用的NVMe协议了，因此USB 3.1只是随身移动存储设备性能的一次升级。USB 3.1更大的意义还是未来配合PCI-E、M.2等新型SSD，为用户带来更快的传输速度。